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Projekt
Das Verhalten von länglichen nicht-sphärischen Partikeln in wandnahen turbulenten Scherströmungen: Analyse, Modellbildung und Validierung
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Strömungsmechanik
Strömungsmechanik
Förderung
Förderung seit 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448292913
Der Transport nicht-sphärischer Partikel in Fluiden ist für eine Reihe von industriellen Prozessen, aber auch für unsere Umwelt, von großer Bedeutung. Sehr häufig sind diese Prozesse durch Wandungen berandet, wie z.B. in Rührkesseln, Rohrleitungssystemen oder in Trennapparaten. Derartige Strömungsvorgänge sind in der Regel turbulent und beinhalten starke Scherschichten. Numerische Analysen zur Auslegung und Optimierung sind aufgrund der geringen Kosten und der damit verbundenen Möglichkeit die ablaufenden Elementarprozesse detailliert zu visualisieren sehr bedeutend. Um eine zuverlässige numerische Berechnung der genannten partikelbeladenen Prozesse unter Verwendung des Punktpartikel-Euler/Lagrange Verfahrens zu ermöglichen sollen im Projekt die notwendigen Modelle für längliche, nicht-sphärische Partikel grundlegend erweitert werden. Der Schwerpunkt liegt dabei besonders auf turbulenten Scherströmungen mit Wandwechselwirkungen. Beispielhaft werden Partikel mit länglichen Formen wie Fasern und Plättchen betrachtet, da deren Modellierung durch Punktpartikelapproximationen eine besondere Herausforderung darstellt.Bei dem geplanten Mehrskalenansatz werden zunächst die erforderlichen Beiwerte für die relevanten Strömungskräfte und Momente für längliche Partikel durch voll-aufgelöste numerische Simulationen (PR-DNS) ermittelt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden dann Lagrangesche Modelle für Punktpartikel entwickelt. In Bezug auf die Turbulenzmodellierung werden ergänzend LES und RANS Ansätze verwendet und deren Ergebnisse verglichen. Die zu entwickelnden Modelle und Korrelationen beziehen sich im Einzelnen auf die Fluidkräfte, Widerstand, virtuelle Masse, Basset Kraft und transversale Auftriebskräfte durch Scherung und Partikelrotation und alle bei nicht-sphärischen Partikeln wirkenden Drehmomente. Wandkollisionsmodelle werden mit Hilfe von dreidimensionalen Visualisierungsexperimenten abgeleitet. Weiterhin müssen alle Fluidkräfte auf die Partikel durch Modifikationen aufgrund von Wandeinflüssen mit Hilfe der PR-DNS ergänzt werden, um diese bei der Lagrangeschen Berechnung zu berücksichtigen. Besonders in Flüssigkeitsströmungen mit länglichen Partikeln sind Wandeffekte sehr wichtig und werden einen großen Einfluss auf deren Orientierung in Wandnähe haben.Essentiell sind noch detaillierte Validierungsdaten für die entwickelten Euler/Lagrange Verfahren, welche mit einem vorhandenen geschlossenen Wasserkanal gewonnen werden sollen. Hierbei wird die Bewegung länglicher Partikel (Fasern und Plättchen), als auch des umgebenden Fluids mit Hilfe eines zu entwickelnden dreidimensionalen Visualisierungs-verfahrens voll aufgelöst erfasst.Die erfolgreiche Bearbeitung des Projektes wird in Erkenntnissen und Modellen resultieren, die eine zuverlässige numerische Vorhersage von wandnahen turbulenten Strömungen mit länglichen nicht-sphärischen Partikeln für einen weiten Anwendungsbereich ermöglichen.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
